Se reporta una investigación experimental acerca del efecto de la forma de empaques corrugados sobre las características de transferencia de masa y caída de presión en torres de enfriamiento de agua de tipo atmosférico.
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11)2016-1_Ochoa Romero_Doria Alejandra
1. Universidad de Sonora
Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia
Operaciones Unitarias II
Investigación de torres de enfriamiento empacadas con diversos
arreglos
Presentado por: Ochoa Romero Doria Alejandra Hermosillo, Son., a 25 de febrero de 2016
2. Investigación de torres de enfriamiento empacadas con
diversos arreglos
H. R. Goshayshi*, J. F. Missenden
Facultad de Ingeniería de Sistemas y Diseño de la Universidad de South Bank, Londres,
SE1 0AA, Reino Unido
Applied Thermal Engineering
Volumen: 20
Año: 2000
Páginas: 69-80
3. Índice
1. Introducción
2. Dispositivo experimental y procedimiento
3. Resultados experimentales
3.1. Características de transferencia de calor
3.2. Características de caída de presión
4. Discusión
5. Conclusiones
5. El calor y la transferencia de masa entre una película de líquido que cae a lo largo de
una pared vertical y el aire que fluye hacia arriba en contacto directo con la película es
un fenómeno importante e interesante en aparatos industriales tales como torres de
enfriamiento. Aspectos importantes que quedan a ser estudiados incluyen:
•la geometría y el diseño de la ondulación principal con y sin las corrugaciones
•el patrón de flujo de la película de líquido
•la interacción entre fases.
Introducción
6. En este trabajo son investigadas y discutidas las características de transferencia de
masa y la caída de presión de varios tipos de empaques ondulados, incluyendo
empaques ondulados de superficie lisa y rugosa, así como la relación entre los
coeficientes de transferencia de masa del empaque y las caídas de presión.
El rendimiento de la transferencia de masa de empaques ondulados
corrugados se incrementa en 1.5 a 2.5 veces de los valores de empaques
lisos, pero la caída de presión de empaques también aumenta con el
aumento en el rendimiento de transferencia de calor.
8. El dispositivo experimental para los experimentos de transferencia
de calor consistía en una torre de enfriamiento de tiro forzado en
contracorriente.
El área de prueba de corte transversal es A = 0.15 x 0.15 m.
Las temperaturas de entrada y de salida de aire y agua se midieron
por termómetros de vidrio de mercurio con un rango de 0 a 50 ° C.
La caída de presión se midió mediante un micromanómetro APM
2000 (0-2,000 Pa)
9. Las mediciones de la transferencia de masa y la caída de presión se llevaron a
cabo en estado estacionario.
Los coeficientes de transferencia de masa y las caídas de presión se midieron
para una serie de L' de 0.45 a 2.22 kg m-2s-1 y G' 0.20 a 1.50 kg m-2s-1.
Se instaló una serie de placas deflectoras perimetrales alrededor del perímetro
interior de la columna, hecha en el laboratorio a partir de plástico de
policarbonato transparente.
Estas placas deflectoras eliminan la película de agua de la pared de la columna de
la torre y redistribuyen el agua en la zona de empaque.
10. Como resultado de la desviación de los deflectores, la mayoría del agua se
transfirió a la superficie del empaque de la pared exterior, formando películas
delgadas descendentes, mientras que se sopló aire verticalmente hacia arriba, a
contracorriente del agua, por un ventilador en la base.
Las ondulaciones transversales fueron separadas por la distancia p, que van de
2 a 10 mm, para los empaques de muestra, la altura de la rugosidad de las
ondulaciones e osciló desde 1 a 3 mm. El paso de las ondulaciones principales,
P, varió de 30 a 70 mm. El espesor de empaque era insignificante.
11. Las formas de empaques ondulados usados en los experimentos están en la Tabla 1, y las formas
típicas se muestran en las Figs. 2-4.
La altura de columna de relleno, Z, fue de 160 cm. Las temperaturas de entrada de agua y de
salida eran 37 y 27 ° C respectivamente.
Los empaques probados fueron de dos tipos, liso y rugoso, ambos de PVC.
14. 3.1. Características de transferencia de calor.
Los empaques de las torres de enfriamiento generalmente tienen geometrías de
superficie bastante complejas, por lo tanto el coeficiente de transferencia de
masa, k, puede no ser predicho analíticamente.
La Fig. 5 muestra los valores de medida del coeficiente de transferencia de masa
k, frente a la relación de la velocidad de flujo de agua entre la velocidad de flujo
de aire (L/G) para los empaques existentes.
15. Fig. 5. Transferencia de calor característico de empaques con un espaciado
diferente y superficie rugosa.
16. Los valores de k para empaques corrugados eran 1.5-2.5 veces mayores que los
valores de k del empaque liso comparables cuando la relación de agua a aire
era 1.0.
Los valores de k para empaques ondulados rugosos y lisos disminuyó con el
aumento en el paso, y tenía un valor máximo cuando P/D = 1.5, y la relación de
la distancia entre las ondulaciones repetidas a la altura de la corrugación fue 4,
y el ángulo, θ fue de 45 ° (empaque C6).
17. Como se puede ver en la figura. 5, k aumenta con:
1. disminución de la separación entre las hojas, siendo todos los demás parámetros constantes;
2. aumento en el valor de L', para G' = constante;
3. aumento de la relación del paso de la ondulación sobre el espaciado. P/D debe ser del orden
de 1.5 y p/e debe ser del orden de 5 para tener la máxima transferencia de calor;
4. disminución de la relación de la distancia entren hojas repetidas y la altura de la corrugación.
Se puede observar que las de transferencia de masa aumenta con la disminución de la
separación y la transferencia más alta es en el empaque C6.
18. La correlación resultante de k de los empaques 1-7 se determinó a partir de estos
experimentos con un error mínimo de (± 4%) que es:
𝑘 = 𝑐1 𝐿´ 0.45 𝐺´ 0.6 (1)
Los datos de transferencia de calor por convección están generalmente
correlacionados mediante una ecuación del tipo Dittus-Boelter:
𝑁𝑢 𝑤 = 𝐴 𝑅𝑒 𝑤
𝑚 𝑃𝑟𝑤
𝑛 (2)
A partir de las Figs. 6 y 7 los coeficientes de transferencia de calor de los empaques
finalmente se expresan como sigue:
𝑁𝑢 𝑤 = 𝐶 (𝑃/𝐷 )−0.15
𝑅𝑒 𝑤
0.8
𝑃𝑟𝑤
0.4
(3)
19.
20. Otro aspecto de la investigación del rendimiento de los empaques son las
características de la caída de presión. ΔP aumenta con:
1. Disminución de la separación entre las hojas, todos los otros parámetros son
constantes.
2. Aumento en L', para G' = constante.
3. Aumento de la proporción de la distancia entre las hojas repetidas y la altura de la
corrugación.
4. Disminución de θ.
3.2. Características de caída de presión.
21. La resultante de la caída de presión para los empaques 1-7 se expresa con errores
mínimos al (±3%) que es
𝛥𝑃 = 𝑐2 𝐿´ 0.35 𝐺´ 0.55 (4)
El factor de fricción f se derivó usando la siguiente ecuación
𝑓 =
1
4
𝐷
𝑍
∆𝑃
𝜌 𝑎
(𝑢 𝑎−𝑢 𝑤)2
2
(5)
El factor de fricción f para un empaques lisos y rugosos se expresa por las siguientes
ecuaciones respectivamente:
𝑓𝑙𝑖𝑠𝑜 = 𝐶𝑓(𝑃/𝐷)−1.32
𝑓𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑜 = 𝐶𝑓(𝑃/𝐷)−1.52
(𝑝/𝑒)−0.94
(8) y (9)
24. Las propiedades de fricción y de transferencia de calor del sistema se
correlacionan, de manera que es, en general, imposible de lograr propiedades de
transferencia de calor elevado con bajo factor de fricción .
En empaques relativamente amplios, la corriente de fluido está casi
completamente separada de las paredes. (Por ejemplo, empaque C1). En
empaques relativamente estrechos, la separación del flujo tiene lugar cerca de
la cresta de cada ondulación.
25. Se encontró que un empaque de particular interés que fue el C6, el cual tiene un
ángulo de 45 °. La separación del flujo mejora la turbulencia en el mismo (en
comparación con el flujo correspondiente entre la pared lisa) y por lo tanto aumenta
la velocidad de transferencia de masa y la caída de presión.
Un empaque con alta turbulencia en combinación con una velocidad de fluido
relativamente baja es más económico que un empaque liso y recto en combinación
con una alta velocidad del fluido.
26. Los resultados mostraron que el rendimiento de transferencia de masa del empaque
corrugado se aumenta hasta en un 1.5-2.5 veces en comparación con el empaque
liso C3. Con el fin de tener la transferencia de masa máxima, la relación del paso de
la costilla sobre el espaciado, P/D debe ser del orden de1.36-1.50.
En este estudio el coeficientes de transferencia de masa de empaques ondulados, k,
se expresaron por la Ec. (1). Se encontró que, por el efecto de paso en el número
de Nusselt, el valor C se aproximó por (𝑃/𝐷)−0.15
. De hecho, el valor de C
disminuyó con el aumento de P/D, Eq. (3).
28. 1. Los coeficientes de transferencia de masa y pérdidas de carga de empaques ondulados
corrugados aumentan considerablemente en comparación con el empaque liso.
2. Se encontró que un empaque de particular interés fue el C6, que tenía el máximo valor
de transferencia de masa en P/D = 1.5 y una relación de 4 para la relación p/e con θ=45 °.
3. Los coeficientes de transferencia de masa del empaque varían en proporción a (P/D)-
0.15 y C, el valor disminuye con el aumento de P/D;
4. Los factores de fricción de empaques ondulados varían en proporción a (P/D)-0.94 y
(p/e)-1.52.
